Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系複合体及びその製造方法
【課題】 硬度とヤング率の著しい低下を引き起こすＣｏを主要元素として添加せずに、高硬度、高ヤング率特性、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性等を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 ＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えていることを特徴とするＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体及びＷ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃから選択した１種類以上の粉末とを混合して焼結することを特徴とするＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【解決手段】 ＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えていることを特徴とするＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体及びＷ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃから選択した１種類以上の粉末とを混合して焼結することを特徴とするＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高硬度、高ヤング率特性、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性等を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＶ、Ｖ、ＶＩ族遷移金属炭化物の特徴は、融点、硬度が高く、格子の結合力が強く、外力に対する変形抵抗が大きいことである。このため、化学的安定性に優れ、耐摩耗性を要求される部材に利用される。ＩＶ、Ｖ、ＶＩ族遷移金属炭化物の中でも、タングステンとチタンの炭化物は、超硬合金あるいはサーメットの原料として多く利用されている。
タングステンカーバイド（ＷＣ）は、含炭素量の異なるＷＣとＷ２Ｃがあり、他の遷移金属炭化物に比べ熱伝導率、弾性率が優れていることが知られている。しかし、Ｗ２ＣはＷＣより硬度が高く、弾性率はＷＣより低いと一般に言われているが、詳しい性質が調べられていないの現状である。
【０００３】
ＷＣは硬さや炭化物の安定性を示す生成熱では、ＴｉＣやＺｒＣに及ばないが、熱伝導率、弾性率、硬度が非常に優れるため、超硬合金として実用化され、切削工具、耐摩耗性材料、鉱山工具として多方面に使用されている。
チタンカーバイドは耐酸化性、耐食性に優れ、比重が小さく比較的安価であるなどの特徴を持つ。また、無機化合物中で、最も広い不定比性を示し、組成領域はＣ／Ｔｉ＝０．５０〜０．９６まで変化し、炭素欠陥に酸素を取り込みやすく、諸性質は組成及び酸素量に依存すること、熱伝導率、弾性率が優れることが知られている。
【０００４】
近年のＷＣ−Ｃｏ超硬合金の開発傾向は高硬度化である。通常、ＷＣ超硬合金はＣｏを添加し焼結を行うが、強度と破壊靭性値の上昇が見られる。すなわち、従来の方法では、ＷＣ粉末に２〜２５ｗｔ％のＣｏを添加し、真空中又は不活性ガス雰囲気中、１３００〜１５００°Ｃで焼結することにより製造されている。
また、焼結体の空孔等の欠陥を除くために、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）を使用していた。このように、従来法ではＣｏ添加なしでは、緻密な焼結体を製造することができなかった。また、Ｃｏを添加することにより、強度と破壊靭性値は向上するが、硬度、ヤング率及び耐食性が著しく損なわれるという欠点があった。そのため、Ｃｏ添加量の低減とＷＣ結晶粒の微細化が検討されている。
【０００５】
一方、ＴｉＣはＷＣ超硬合金に添加することにより、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性が増すことが知られている（非特許文献１参照）。また、ＴｉＣを主成分とするＴｉＣ基サーメットは、高速切断が可能、長寿命などの特長を活かして、主に鋼切削に使用されている。
しかし、タングステンカーバイド（ＷＣ）及びＴｉＣはそれぞれ優れた特性を有しているが、ＴｉＣとＷＣは、いずれも難焼結体であるため焼結温度が著しく高くなり、製造が極めて難しいという問題がある。以上のことから、上記の特性を総合的に保有する材料が得られていないのが現状である。
【０００６】
【非特許文献１】丸善株式会社発行（昭和６１年２月２０日発行）「超硬合金と焼結硬質材料（基礎と応用）」１２７〜１３３頁「超硬合金の性質」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、硬度とヤング率の著しい低下を引き起こすＣｏを主要元素として添加せずに、ＷＣとＴｉＣを複合化することにより、それぞれの優れた特性を合わせ持つ複合材料、すなわち高硬度、高ヤング率特性、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性等を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上から、次の発明を提供するものである。
１．ＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えていることを特徴とするＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
２．ＷＣに対するＴｉのモル比が０．２以下であることを特徴とする上記１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
３．ＷＣに対するＴｉのモル比が０．１以下であることを特徴とする上記１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
４．ＷＣに対するＴｉのモル比が０．０５以下であることを特徴とする上記１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
５．Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素を０．００１〜２０ｗｔ％含有することを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
６．Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素の炭化物、ホウ化物、窒化物、炭窒化物の１種類以上を０．００１〜３０ｗｔ％含有することを特徴とする上記１〜５のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
【０００９】
さらに、次の発明を提供する。
７．Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃから選択した１種類以上の粉末とを混合して焼結することを特徴とする上記１〜６のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
８．Ｃ粉を混合して焼結することを特徴とする上記７記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
９．Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造に際し、ＷＣ及び又はＷ２ＣとＴｉの固相置換反応による物質移動を利用してＷＣ及び又はＷ２Ｃ粉末の焼結を促進させることを特徴とする上記７又は８記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
１０．ホットプレス又は通電加圧焼結法により焼結することを特徴とする上記７〜９のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
１１．焼結温度１４００〜２０００°Ｃ、加圧力２０ＭＰａ以上で焼結することを特徴とする上記７〜１０のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
１２． 焼結温度１６５０〜１９００°Ｃ、加圧力３０ＭＰａ以上で焼結することを特徴とする上記７〜１０のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、Ｃｏなどの金属添加剤を主要成分として使用せず、高温中での化学反応による物質の移動を利用することにより焼結むらの少ない緻密な焼結体が得られるという著しい特徴を有し、高硬度、高ヤング率特性、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性等を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体が得られるという効果を有する。
また、比較的低温で焼結が可能であり、高い焼結密度、微細な結晶粒、ビッカース硬さ２０ＧＰａ以上、ヤング率６００ＧＰａ以上、高い破壊靭性値を達成することができるという優れた特徴を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の製造方法により、ＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えており、ビッカース硬さ２０ＧＰａ以上及びヤング率６００ＧＰａ以上を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体を得ることができる。
Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の組織の中で、実際にＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相が観察でき、通常ＷＣのマトリックス相中に（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相、及びＴｉＣ相が点在する組織を有する。なお、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相はＴｉＣにＷＣが固溶したものである。
これによって、Ｃｏなどの金属添加剤を必要とせず、高温中での化学反応による物質の移動を利用しているため、焼結むらの少ない緻密な焼結体が得られるという特徴を有している。
【００１２】
本明細書において記述する各種の化合物は、表示されている化合比の１０％以内の不定比化合物を含むものである。
Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系複合体におけるＷに対するＴｉのモル比が０．２以下、好ましくは０．１以下、更に好ましくは０．０５以下であることが望ましい。これによって、高硬度及び高ヤング率特性を更に向上させることができる。
また、ＴｉＣを含有することによって、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性を向上させる効果を有する。
本発明の複合体は、例えば切削工具、ターゲット材、引抜きダイス、粉末冶金用金型、ノズル、メカニカルシール、軸受部品、射出成型用金型、ボールペン用ボール、電極、自動車部品などに使用できる。
【００１３】
好適な高硬度及び高ヤング率特性を維持するために、本発明のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の相は、モル分率で０．７〜０．９８のＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を有することが望ましい。
（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相におけるＴｉＣへのＷＣの固溶量はＷＣに対するＴｉ量が少ないほど大きくなり、ＷＣ固溶量が多くなるほど（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ組織にクラックが多く発生する傾向がある。なお、本発明の後述する通電加圧焼結では、全ての試料について１８００°Ｃ以上で緻密な試料が得られた。
本発明は、上記Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系複合体に、さらに副添加元素としてＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素を０．００１〜２０ｗｔ％含有させることができる。
これらの元素を添加することにより液相焼結することが可能となり、通常使用する温度よりもさらに１００°Ｃ〜５５０°Ｃ程度焼結温度を下げることができる。例えば、１４００〜１９００°Ｃの低温で緻密化が可能で、強度及び破壊靭性値を大幅に上昇させることができる。
【００１４】
これによって、例えば破壊靭性値を１０から２０ＭＰａ・ｍ１／２程度向上させることができる。これらの副添加元素はＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の相のなかで、粒間結合相のような形態として存在する。
しかし、硬度及びヤング率が低下するので上限を２０ｗｔ％とするのが望ましい。また、０．００１ｗｔ％未満では添加の効果がないので、上記の目的で添加する場合には、０．００１ｗｔ％以上とするのが望ましい。
なお、本発明においては、あくまでＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相からなる組織を中心相とするものであり、上記添加元素は用途に応じて付加的に添加するものである。
【００１５】
本発明は、さらに副添加物としてＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素の炭化物、ホウ化物、窒化物、炭窒化物の１種類以上を０．００１〜３０ｗｔ％含有させることができる。
これらの副添加物はＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の相のなかで、ＷＣや粒間結合相金属中に固溶し、あるいは分散粒子のような形態として存在する。
これらは、焼結時のＷＣ、Ｗ２Ｃ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ等の結晶粒の成長を抑制することができ、微細組織を持った焼結体を製造することができる。
その結果、強度、硬度、破壊靭性値をさらに向上させることができる。０．００１ｗｔ％未満では添加の効果が認められず、３０ｗｔ％を超えると強度、硬度、破壊靭性値が低下し、好ましくないので、上限は３０ｗｔ％とすることが望ましい。
【００１６】
本発明のＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相等を備えている高硬度及び高ヤング率特性を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体は、Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃから選択した１種類以上の粉末とを混合して焼結することによって効率的に製造できる。
本発明は、特にＷＣ及び又はＷ２ＣとＴｉの固相置換反応による物質移動を利用するものであり、これによってＷＣ及び又はＷ２Ｃ粉末の焼結を促進させることができる。
この場合、原料粉末であるＷ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃにおいて、Ｗに対するＴｉのモル比が０．２以下、好ましくは０．１、さらに好ましくは０．０５以下に調節した混合粉末を使用するのが良い。
Ｗ：ＷＣ：Ｗ２Ｃはそれぞれ０〜１００モル％の間で、また同様にＴｉ：ＴｉＣ：（Ｔｉ、Ｗ）Ｃはそれぞれ０〜１００モル％の間で選択できる。さらに、これらにＣ粉を混合し、あるいはＴｉを付加的に添加して製造することもできる。
【００１７】
焼結に際しては、同様に副添加元素としてＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素を０．００１〜２０ｗｔ％の添加及び又はＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素の炭化物、ホウ化物、窒化物、炭窒化物の１種類以上を０．００１〜３０ｗｔ％の粉末を混合して焼結することができる。
焼結の具体的手段として、ホットプレス又は通電加圧焼結法（放電プラズマ焼結法）による焼結を使用することができる。
特に、通電加圧焼結法は、型の中に充填した粉末に加圧しながらパルス状の電流を流して試料と型のみを加熱するものであり、炉内全部を加熱するホットプレスよりも省エネルギーであり、また急速昇温が可能であるという特徴を有している。この通電加圧焼結法によれば、極めて短時間で難焼結材料の緻密化が可能である。
【００１８】
焼結温度１４００〜２０００°Ｃ、加圧力２０ＭＰａ以上で焼結する。特に、焼結温度１６５０〜１９００°Ｃ、加圧力３０ＭＰａ以上で焼結することが望ましい。なお、この際の焼結温度は、ホットプレス又は通電加圧焼結法で使用するグラファイト型の表面の温度である。
また、保持時間は１分以上好ましくは５分以上で焼結することが望ましい。通電加圧焼結法を用いると極めて短時間に高温を得ることができるので、製品を得るまでの時間を大幅に短縮できるという特長を有する。
以上の方法によって、優れた高硬度及び高ヤング率特性を有するＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えているＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体を製造することができる。
【実施例】
【００１９】
次に、実施例に基づいて説明する。なお、本実施例は下記の試験等に基づいて、より好適な実施の一例を提示するものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。したがって、本発明の技術思想に含まれる変形、他の実施例又は態様は、全て本発明に含まれる。
【００２０】
（実施例及び比較例）
原料粉末として、Ｔｉ粉末（平均粒径１．５μｍ、純度９９％）及びＷＣ粉末（平均粒径０．７１μｍ、純度９９．５％）を使用した。ＷＣは不定比性を有しＷ１．００６Ｃであった。
以上の粉末を用いて、ＴｉとＷＣが化学量論的に反応する（１−ｘ）ＷＣ＋ｘＴｉ→ｘＷ２Ｃ＋ｘＴｉＣ＋（１−３ｘ）ＷＣ（但し、ｘ＝０〜０．３３３）を想定して秤量し、乳鉢で入念に混合した。
ｘの比率を変えて試料を作製した。なお、この場合、ｘ＝０は比較例として挙げたものである。
この混合粉末を外径５０ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ４０ｍｍのグラファイト型に充填し、断熱のためにその周囲をグラファイトウールで囲んだ。
【００２１】
焼結は、通電加圧焼結装置を用い、圧力５０ＭＰａ、昇温速度５０°Ｃ・ｍｉｎ−１、焼結温度１８００°Ｃ、保持時間２０ｍｉｎ、真空下の条件で実施した。この際、焼結温度はグラファイト型の表面を放射温度計で測定した。得られた焼結体の生成物（反応生成物）と組織は、Ｘ線回折装置と走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）と電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて調べた。焼結体の密度はアルキメデス法を用いて測定した。
【００２２】
焼結体の機械的性質の評価は、ヤング率、ポアソン比、ビッカース硬さ、破壊靭性値の測定によって行った。なお、ヤング率は高温動弾性率測定装置、探触子５ＭＨｚを用い、超音波パルス法により縦波の音速と横波の音速を測定して求めた。
ビッカース硬さ及び破壊靭性値はビッカース硬さ計を用い、硬さは９．８Ｎ、１５ｓの条件で測定し、破壊靭性値はＪＩＳＲ１６０７に基づき、９．８Ｎ、１５ｓの条件でＩＦ法により求めた。
【００２３】
焼結体の反応生成物の、Ｘ線回折最強ピークの相対強度比Ｉｘ／ΣＩｘと原料粉末中のＴｉの割合ｘとの関係を図１に示す。
図１に示す通り、原料粉末中のＴｉ量（ｘ）が増えるとともに、生成するＷＣ量が減少し、Ｗ２Ｃ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ量が増加した。特に、Ｗ２Ｃの増加が著しい。いずれの場合も未反応のＷはなかった。
図２は、かさ密度及び開気孔率とＴｉ量（ｘ）との関係を示すが、この図２に示すように、かさ密度は原料粉末中のＴｉ量が増え生成するＷＣ量が減少するとともに低くなり、その差が大きくなった。
すなわち、かさ密度は原料粉末中のＴｉ量（ｘ）が少ないほど高くなる。このような密度低下は固溶に依存するよりも、気孔率や（Ｔｉ、Ｗ）Ｃのクラックに依存していると考えられる。
また、Ｔｉ量が増加すると（Ｔｉ、Ｗ）Ｃの格子定数が減少し、ＴｉＣへのＷＣ固溶量が減少していくが、開気孔率は増加していく。このことからＴｉＣへのＷＣ固溶量が緻密化に影響していると考えられる。開気孔率はＴｉ量ｘ＝０．２まで増加し、その後減少に転じた。
【００２４】
原料粉末中のＴｉ量ｘとヤング率とポアソン比の関係を図３に示す。図３から明らかなように、ヤング率はＷＣのみ（比較例）の場合に最大値７０２ＧＰａで、ＷＣ量が減少するとともに小さくなり、Ｔｉ量が０．３３３の時に最小値３７２ＧＰａであった。また、ポアソン比は０．１７から０．２３の間であった。
ビッカース硬さと破壊靭性値を図４と図５に示す。原料粉末中のＴｉ量ｘが増え、生成するＷＣ量が減少するとともに、ビッカース硬さと破壊靭性値は減少し、ＷＣのみの時に最大値を示し、それぞれ２５．３ＧＰａと５．９ＭＰａｍ１／２、Ｔｉ量が０．３３３の時に、それぞれ最小値１７．５ＧＰａと３．１ＭＰａｍ１／２であった。
【００２５】
上記１〜５図を見る限り、Ｗに対するＴｉのモル比は小さい方が良い（Ｔｉ量が少ない方が良い）が、ＷＣ及び又はＷ２ＣとＴｉの固相置換反応による物質移動を利用することによって焼結性を向上させるものであるから、少量であってもＴｉの存在は極めて重要である。少なくともモル分率で０．００１は必要であり、好ましくは０．０１以上とするのが良い。
ＴｉＣ及びＷＣはいずれも難焼結体であるため焼結温度が高くなるという問題がある。しかし、本発明においてはＷＣ又はＷ２ＣとＴｉとの反応焼結を伴うことにより、焼結温度の低下と反応による組織の微細化が達成できるという著しい効果を有する。
これによって、硬度とヤング率の著しい低下を引き起こすＣｏを主要元素として添加せずに、高硬度、高ヤング率特性、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性等を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体を製造することが可能となった。
【００２６】
次に、好適な条件と考えられる０．９５ＷＣ−０．０５Ｔｉについて、上記と同様な焼結条件で、焼結温度を変化させ、Ｘ線回折最強ピークの相対強度比Ｉｘ／ΣＩｘ、かさ密度及び開気孔率、ヤング率及びポアソン比、ビッカース硬さ、破壊靭性値の測定結果を、それぞれ図６〜図１０に示す。
【００２７】
図６に示すように、焼結温度の高温（２０００°Ｃ）側ではＷＣと（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ量は徐々に増加する。一方Ｗ２Ｃは減少する傾向にある。ＴｉＣ量には変化がない。また、未反応のＷは認められなかった。
かさ密度は、図７に示すように１６００°Ｃから急速に大きくなり、１８００°Ｃ〜１９００°Ｃで最大値１５ｇｃｍ−３に達した。開気孔率は焼結温度の上昇と共に減少し、１８００°Ｃ以上で０ｗｔ％となった。
【００２８】
図８に示すように、ヤング率は焼結温度の上昇と共に急上昇し、１８００°Ｃでピークに達し、その後高温側に移行してもヤング率は低下する傾向を持つ。またポアソン比は焼結温度の上昇とともに緩やかに低下する。
ビッカース硬さは図９に示すように、焼結温度の上昇と共に高くなり、１８００°Ｃでピーク（２５４０Ｈｖ）となり、その後焼結温度を上げると低下する傾向を示した。この１８００°Ｃ以上での硬度低下は粒成長が原因と考えられる。
破壊靭性値もまた、ビッカース硬さと同様の傾向を持ち、図１０に示すように焼結温度の上昇と共に高くなり、１８００°Ｃでピーク（５．３ＭＰａｍ１／２）となり、その後焼結温度を上げると急速に低下する傾向を示した。
以上から、機械的性質は１８００°Ｃで焼成した試料が最も優れた特性を示していることが分かる。
【００２９】
すなわち、最適焼結温度は混合原料粉末の組成によって、適正な焼結密度、硬度、ヤング率、破壊靭性値等を勘案して、適宜選択することができる。
また、特にデータとしては示さないが、焼結温度は副添加元素としてＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素を０．００１〜２０ｗｔ％を添加することにより、３５０°Ｃ〜５５０°Ｃ程度低減できる。
さらに、副添加物としてＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素の炭化物、ホウ化物、窒化物、炭窒化物の１種類以上を０．００１〜３０ｗｔ％含有させることにより、焼結時のＷＣ、Ｗ２Ｃ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃの結晶粒の成長を抑制することができ、微細組織を持った焼結体を製造することができる。その結果、強度、硬度、破壊靭性値をさらに向上させることができる。
【００３０】
本発明の実施例では、Ｔｉ粉末とＷＣ粉末を通電加圧焼結法によって、ＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えたＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造例を示し、その特性を詳細に示した。
しかし、煩雑となるため実施例として示さないが、Ｔｉ粉末とＷＣ粉末以外の組合せにおいて、Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃから選択した１種類以上の粉末とを任意に組合せて混合し、これらを焼結することによっても同様の結果を得ることができる。
基本的には、Ｗに対するＴｉのモル比を適宜選択し、好適にはＷに対するＴｉのモル比が０．２以下、好ましくは０．１以下、さららに好ましくは０．０５以下とし、そして焼結温度を適宜制御することにより、ＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えたＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体を製造することが可能である。
【００３１】
具体的には、例えば０．９５ＷＣ−０．０５Ｔｉについて、１６００°Ｃ、１８００°Ｃ、２０００°Ｃの各温度で、２０分間、５０ＭＰａ、真空中で反応焼結を行った結果、この反応焼結体の微細焼結組織は、ＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を有していた。
ＷＣ−Ｔｉの組合せにおいて、上記以外にも０．９２５ＷＣ−０．０７５Ｔｉ（ｘ＝０．０７５）、０．９ＷＣ−０．１Ｔｉ（ｘ＝０．１）及び０．８ＷＣ−０．２Ｔｉ（ｘ＝０．２）の全ての組成において、同様に反応生成物としてＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相が確認できた。
【００３２】
このような製造条件は、Ｃｏ金属の添加剤を主要成分として使用しないことが大きな特長となっている。そして、これはＣｏの使用による硬度、ヤング率及び耐食性が著しく損なわれるという従来技術の欠点無くすためである。
ＴｉＣの存在は、むしろ耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性を向上させるものであり、さらに焼結温度をより低温側にし、かつ焼結むらの少ない緻密な焼結体を得ることができるという効果を生み出すものである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、Ｃｏなどの金属添加剤を主要成分として使用せず、高温中での化学反応による物質の移動を利用することにより焼結むらの少ない緻密な焼結体が得られるという著しい特徴を有し、高硬度、高ヤング率特性、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性等を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体が得られるという効果を有する。
また、比較的低温で焼結が可能であり、高い焼結密度、微細な結晶粒、ビッカース硬さ２０ＧＰａ以上、ヤング率６００ＧＰａ以上、高い破壊靭性値を達成することができるという優れた特徴を有する。
したがって、本発明の複合体は、例えば切削工具、ターゲット材、引抜きダイス、粉末冶金用金型、ノズル、メカニカルシール、軸受部品、射出成型用金型、ボールペン用ボール、電極、自動車部品などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】Ｘ線回折最強ピークの相対強度比Ｉｘ／ΣＩｘと原料粉末中のチタンの割合ｘとの関係を示す図である。
【図２】原料粉末中のチタンの割合ｘとかさ密度及び開気孔率の関係を示す図である。
【図３】原料粉末中のチタンの割合ｘとヤング率及びポアソン比の関係を示す図である。
【図４】原料粉末中のチタンの割合ｘとビッカース硬さとの関係を示す図である。
【図５】原料粉末中のチタンの割合ｘと破壊靭性値との関係を示す図である。
【図６】焼結温度とＸ線回折最強ピークの相対強度比Ｉｘ／ΣＩｘとの関係を示す図である。
【図７】焼結温度とかさ密度及び開気孔率の関係を示す図である。
【図８】焼結温度とヤング率及びポアソン比の関係を示す図である。
【図９】焼結温度とビッカース硬さとの関係を示す図である。
【図１０】焼結温度と破壊靭性値との関係を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高硬度、高ヤング率特性、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性等を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＶ、Ｖ、ＶＩ族遷移金属炭化物の特徴は、融点、硬度が高く、格子の結合力が強く、外力に対する変形抵抗が大きいことである。このため、化学的安定性に優れ、耐摩耗性を要求される部材に利用される。ＩＶ、Ｖ、ＶＩ族遷移金属炭化物の中でも、タングステンとチタンの炭化物は、超硬合金あるいはサーメットの原料として多く利用されている。
タングステンカーバイド（ＷＣ）は、含炭素量の異なるＷＣとＷ２Ｃがあり、他の遷移金属炭化物に比べ熱伝導率、弾性率が優れていることが知られている。しかし、Ｗ２ＣはＷＣより硬度が高く、弾性率はＷＣより低いと一般に言われているが、詳しい性質が調べられていないの現状である。
【０００３】
ＷＣは硬さや炭化物の安定性を示す生成熱では、ＴｉＣやＺｒＣに及ばないが、熱伝導率、弾性率、硬度が非常に優れるため、超硬合金として実用化され、切削工具、耐摩耗性材料、鉱山工具として多方面に使用されている。
チタンカーバイドは耐酸化性、耐食性に優れ、比重が小さく比較的安価であるなどの特徴を持つ。また、無機化合物中で、最も広い不定比性を示し、組成領域はＣ／Ｔｉ＝０．５０〜０．９６まで変化し、炭素欠陥に酸素を取り込みやすく、諸性質は組成及び酸素量に依存すること、熱伝導率、弾性率が優れることが知られている。
【０００４】
近年のＷＣ−Ｃｏ超硬合金の開発傾向は高硬度化である。通常、ＷＣ超硬合金はＣｏを添加し焼結を行うが、強度と破壊靭性値の上昇が見られる。すなわち、従来の方法では、ＷＣ粉末に２〜２５ｗｔ％のＣｏを添加し、真空中又は不活性ガス雰囲気中、１３００〜１５００°Ｃで焼結することにより製造されている。
また、焼結体の空孔等の欠陥を除くために、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）を使用していた。このように、従来法ではＣｏ添加なしでは、緻密な焼結体を製造することができなかった。また、Ｃｏを添加することにより、強度と破壊靭性値は向上するが、硬度、ヤング率及び耐食性が著しく損なわれるという欠点があった。そのため、Ｃｏ添加量の低減とＷＣ結晶粒の微細化が検討されている。
【０００５】
一方、ＴｉＣはＷＣ超硬合金に添加することにより、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性が増すことが知られている（非特許文献１参照）。また、ＴｉＣを主成分とするＴｉＣ基サーメットは、高速切断が可能、長寿命などの特長を活かして、主に鋼切削に使用されている。
しかし、タングステンカーバイド（ＷＣ）及びＴｉＣはそれぞれ優れた特性を有しているが、ＴｉＣとＷＣは、いずれも難焼結体であるため焼結温度が著しく高くなり、製造が極めて難しいという問題がある。以上のことから、上記の特性を総合的に保有する材料が得られていないのが現状である。
【０００６】
【非特許文献１】丸善株式会社発行（昭和６１年２月２０日発行）「超硬合金と焼結硬質材料（基礎と応用）」１２７〜１３３頁「超硬合金の性質」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、硬度とヤング率の著しい低下を引き起こすＣｏを主要元素として添加せずに、ＷＣとＴｉＣを複合化することにより、それぞれの優れた特性を合わせ持つ複合材料、すなわち高硬度、高ヤング率特性、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性等を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上から、次の発明を提供するものである。
１．ＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えていることを特徴とするＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
２．ＷＣに対するＴｉのモル比が０．２以下であることを特徴とする上記１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
３．ＷＣに対するＴｉのモル比が０．１以下であることを特徴とする上記１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
４．ＷＣに対するＴｉのモル比が０．０５以下であることを特徴とする上記１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
５．Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素を０．００１〜２０ｗｔ％含有することを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
６．Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素の炭化物、ホウ化物、窒化物、炭窒化物の１種類以上を０．００１〜３０ｗｔ％含有することを特徴とする上記１〜５のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体
【０００９】
さらに、次の発明を提供する。
７．Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃから選択した１種類以上の粉末とを混合して焼結することを特徴とする上記１〜６のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
８．Ｃ粉を混合して焼結することを特徴とする上記７記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
９．Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造に際し、ＷＣ及び又はＷ２ＣとＴｉの固相置換反応による物質移動を利用してＷＣ及び又はＷ２Ｃ粉末の焼結を促進させることを特徴とする上記７又は８記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
１０．ホットプレス又は通電加圧焼結法により焼結することを特徴とする上記７〜９のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
１１．焼結温度１４００〜２０００°Ｃ、加圧力２０ＭＰａ以上で焼結することを特徴とする上記７〜１０のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
１２． 焼結温度１６５０〜１９００°Ｃ、加圧力３０ＭＰａ以上で焼結することを特徴とする上記７〜１０のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、Ｃｏなどの金属添加剤を主要成分として使用せず、高温中での化学反応による物質の移動を利用することにより焼結むらの少ない緻密な焼結体が得られるという著しい特徴を有し、高硬度、高ヤング率特性、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性等を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体が得られるという効果を有する。
また、比較的低温で焼結が可能であり、高い焼結密度、微細な結晶粒、ビッカース硬さ２０ＧＰａ以上、ヤング率６００ＧＰａ以上、高い破壊靭性値を達成することができるという優れた特徴を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の製造方法により、ＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えており、ビッカース硬さ２０ＧＰａ以上及びヤング率６００ＧＰａ以上を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体を得ることができる。
Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の組織の中で、実際にＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相が観察でき、通常ＷＣのマトリックス相中に（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相、及びＴｉＣ相が点在する組織を有する。なお、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相はＴｉＣにＷＣが固溶したものである。
これによって、Ｃｏなどの金属添加剤を必要とせず、高温中での化学反応による物質の移動を利用しているため、焼結むらの少ない緻密な焼結体が得られるという特徴を有している。
【００１２】
本明細書において記述する各種の化合物は、表示されている化合比の１０％以内の不定比化合物を含むものである。
Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系複合体におけるＷに対するＴｉのモル比が０．２以下、好ましくは０．１以下、更に好ましくは０．０５以下であることが望ましい。これによって、高硬度及び高ヤング率特性を更に向上させることができる。
また、ＴｉＣを含有することによって、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性を向上させる効果を有する。
本発明の複合体は、例えば切削工具、ターゲット材、引抜きダイス、粉末冶金用金型、ノズル、メカニカルシール、軸受部品、射出成型用金型、ボールペン用ボール、電極、自動車部品などに使用できる。
【００１３】
好適な高硬度及び高ヤング率特性を維持するために、本発明のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の相は、モル分率で０．７〜０．９８のＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を有することが望ましい。
（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相におけるＴｉＣへのＷＣの固溶量はＷＣに対するＴｉ量が少ないほど大きくなり、ＷＣ固溶量が多くなるほど（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ組織にクラックが多く発生する傾向がある。なお、本発明の後述する通電加圧焼結では、全ての試料について１８００°Ｃ以上で緻密な試料が得られた。
本発明は、上記Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系複合体に、さらに副添加元素としてＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素を０．００１〜２０ｗｔ％含有させることができる。
これらの元素を添加することにより液相焼結することが可能となり、通常使用する温度よりもさらに１００°Ｃ〜５５０°Ｃ程度焼結温度を下げることができる。例えば、１４００〜１９００°Ｃの低温で緻密化が可能で、強度及び破壊靭性値を大幅に上昇させることができる。
【００１４】
これによって、例えば破壊靭性値を１０から２０ＭＰａ・ｍ１／２程度向上させることができる。これらの副添加元素はＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の相のなかで、粒間結合相のような形態として存在する。
しかし、硬度及びヤング率が低下するので上限を２０ｗｔ％とするのが望ましい。また、０．００１ｗｔ％未満では添加の効果がないので、上記の目的で添加する場合には、０．００１ｗｔ％以上とするのが望ましい。
なお、本発明においては、あくまでＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相からなる組織を中心相とするものであり、上記添加元素は用途に応じて付加的に添加するものである。
【００１５】
本発明は、さらに副添加物としてＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素の炭化物、ホウ化物、窒化物、炭窒化物の１種類以上を０．００１〜３０ｗｔ％含有させることができる。
これらの副添加物はＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の相のなかで、ＷＣや粒間結合相金属中に固溶し、あるいは分散粒子のような形態として存在する。
これらは、焼結時のＷＣ、Ｗ２Ｃ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ等の結晶粒の成長を抑制することができ、微細組織を持った焼結体を製造することができる。
その結果、強度、硬度、破壊靭性値をさらに向上させることができる。０．００１ｗｔ％未満では添加の効果が認められず、３０ｗｔ％を超えると強度、硬度、破壊靭性値が低下し、好ましくないので、上限は３０ｗｔ％とすることが望ましい。
【００１６】
本発明のＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相等を備えている高硬度及び高ヤング率特性を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体は、Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃから選択した１種類以上の粉末とを混合して焼結することによって効率的に製造できる。
本発明は、特にＷＣ及び又はＷ２ＣとＴｉの固相置換反応による物質移動を利用するものであり、これによってＷＣ及び又はＷ２Ｃ粉末の焼結を促進させることができる。
この場合、原料粉末であるＷ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃにおいて、Ｗに対するＴｉのモル比が０．２以下、好ましくは０．１、さらに好ましくは０．０５以下に調節した混合粉末を使用するのが良い。
Ｗ：ＷＣ：Ｗ２Ｃはそれぞれ０〜１００モル％の間で、また同様にＴｉ：ＴｉＣ：（Ｔｉ、Ｗ）Ｃはそれぞれ０〜１００モル％の間で選択できる。さらに、これらにＣ粉を混合し、あるいはＴｉを付加的に添加して製造することもできる。
【００１７】
焼結に際しては、同様に副添加元素としてＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素を０．００１〜２０ｗｔ％の添加及び又はＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素の炭化物、ホウ化物、窒化物、炭窒化物の１種類以上を０．００１〜３０ｗｔ％の粉末を混合して焼結することができる。
焼結の具体的手段として、ホットプレス又は通電加圧焼結法（放電プラズマ焼結法）による焼結を使用することができる。
特に、通電加圧焼結法は、型の中に充填した粉末に加圧しながらパルス状の電流を流して試料と型のみを加熱するものであり、炉内全部を加熱するホットプレスよりも省エネルギーであり、また急速昇温が可能であるという特徴を有している。この通電加圧焼結法によれば、極めて短時間で難焼結材料の緻密化が可能である。
【００１８】
焼結温度１４００〜２０００°Ｃ、加圧力２０ＭＰａ以上で焼結する。特に、焼結温度１６５０〜１９００°Ｃ、加圧力３０ＭＰａ以上で焼結することが望ましい。なお、この際の焼結温度は、ホットプレス又は通電加圧焼結法で使用するグラファイト型の表面の温度である。
また、保持時間は１分以上好ましくは５分以上で焼結することが望ましい。通電加圧焼結法を用いると極めて短時間に高温を得ることができるので、製品を得るまでの時間を大幅に短縮できるという特長を有する。
以上の方法によって、優れた高硬度及び高ヤング率特性を有するＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えているＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体を製造することができる。
【実施例】
【００１９】
次に、実施例に基づいて説明する。なお、本実施例は下記の試験等に基づいて、より好適な実施の一例を提示するものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。したがって、本発明の技術思想に含まれる変形、他の実施例又は態様は、全て本発明に含まれる。
【００２０】
（実施例及び比較例）
原料粉末として、Ｔｉ粉末（平均粒径１．５μｍ、純度９９％）及びＷＣ粉末（平均粒径０．７１μｍ、純度９９．５％）を使用した。ＷＣは不定比性を有しＷ１．００６Ｃであった。
以上の粉末を用いて、ＴｉとＷＣが化学量論的に反応する（１−ｘ）ＷＣ＋ｘＴｉ→ｘＷ２Ｃ＋ｘＴｉＣ＋（１−３ｘ）ＷＣ（但し、ｘ＝０〜０．３３３）を想定して秤量し、乳鉢で入念に混合した。
ｘの比率を変えて試料を作製した。なお、この場合、ｘ＝０は比較例として挙げたものである。
この混合粉末を外径５０ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ４０ｍｍのグラファイト型に充填し、断熱のためにその周囲をグラファイトウールで囲んだ。
【００２１】
焼結は、通電加圧焼結装置を用い、圧力５０ＭＰａ、昇温速度５０°Ｃ・ｍｉｎ−１、焼結温度１８００°Ｃ、保持時間２０ｍｉｎ、真空下の条件で実施した。この際、焼結温度はグラファイト型の表面を放射温度計で測定した。得られた焼結体の生成物（反応生成物）と組織は、Ｘ線回折装置と走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）と電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて調べた。焼結体の密度はアルキメデス法を用いて測定した。
【００２２】
焼結体の機械的性質の評価は、ヤング率、ポアソン比、ビッカース硬さ、破壊靭性値の測定によって行った。なお、ヤング率は高温動弾性率測定装置、探触子５ＭＨｚを用い、超音波パルス法により縦波の音速と横波の音速を測定して求めた。
ビッカース硬さ及び破壊靭性値はビッカース硬さ計を用い、硬さは９．８Ｎ、１５ｓの条件で測定し、破壊靭性値はＪＩＳＲ１６０７に基づき、９．８Ｎ、１５ｓの条件でＩＦ法により求めた。
【００２３】
焼結体の反応生成物の、Ｘ線回折最強ピークの相対強度比Ｉｘ／ΣＩｘと原料粉末中のＴｉの割合ｘとの関係を図１に示す。
図１に示す通り、原料粉末中のＴｉ量（ｘ）が増えるとともに、生成するＷＣ量が減少し、Ｗ２Ｃ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ量が増加した。特に、Ｗ２Ｃの増加が著しい。いずれの場合も未反応のＷはなかった。
図２は、かさ密度及び開気孔率とＴｉ量（ｘ）との関係を示すが、この図２に示すように、かさ密度は原料粉末中のＴｉ量が増え生成するＷＣ量が減少するとともに低くなり、その差が大きくなった。
すなわち、かさ密度は原料粉末中のＴｉ量（ｘ）が少ないほど高くなる。このような密度低下は固溶に依存するよりも、気孔率や（Ｔｉ、Ｗ）Ｃのクラックに依存していると考えられる。
また、Ｔｉ量が増加すると（Ｔｉ、Ｗ）Ｃの格子定数が減少し、ＴｉＣへのＷＣ固溶量が減少していくが、開気孔率は増加していく。このことからＴｉＣへのＷＣ固溶量が緻密化に影響していると考えられる。開気孔率はＴｉ量ｘ＝０．２まで増加し、その後減少に転じた。
【００２４】
原料粉末中のＴｉ量ｘとヤング率とポアソン比の関係を図３に示す。図３から明らかなように、ヤング率はＷＣのみ（比較例）の場合に最大値７０２ＧＰａで、ＷＣ量が減少するとともに小さくなり、Ｔｉ量が０．３３３の時に最小値３７２ＧＰａであった。また、ポアソン比は０．１７から０．２３の間であった。
ビッカース硬さと破壊靭性値を図４と図５に示す。原料粉末中のＴｉ量ｘが増え、生成するＷＣ量が減少するとともに、ビッカース硬さと破壊靭性値は減少し、ＷＣのみの時に最大値を示し、それぞれ２５．３ＧＰａと５．９ＭＰａｍ１／２、Ｔｉ量が０．３３３の時に、それぞれ最小値１７．５ＧＰａと３．１ＭＰａｍ１／２であった。
【００２５】
上記１〜５図を見る限り、Ｗに対するＴｉのモル比は小さい方が良い（Ｔｉ量が少ない方が良い）が、ＷＣ及び又はＷ２ＣとＴｉの固相置換反応による物質移動を利用することによって焼結性を向上させるものであるから、少量であってもＴｉの存在は極めて重要である。少なくともモル分率で０．００１は必要であり、好ましくは０．０１以上とするのが良い。
ＴｉＣ及びＷＣはいずれも難焼結体であるため焼結温度が高くなるという問題がある。しかし、本発明においてはＷＣ又はＷ２ＣとＴｉとの反応焼結を伴うことにより、焼結温度の低下と反応による組織の微細化が達成できるという著しい効果を有する。
これによって、硬度とヤング率の著しい低下を引き起こすＣｏを主要元素として添加せずに、高硬度、高ヤング率特性、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性等を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体を製造することが可能となった。
【００２６】
次に、好適な条件と考えられる０．９５ＷＣ−０．０５Ｔｉについて、上記と同様な焼結条件で、焼結温度を変化させ、Ｘ線回折最強ピークの相対強度比Ｉｘ／ΣＩｘ、かさ密度及び開気孔率、ヤング率及びポアソン比、ビッカース硬さ、破壊靭性値の測定結果を、それぞれ図６〜図１０に示す。
【００２７】
図６に示すように、焼結温度の高温（２０００°Ｃ）側ではＷＣと（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ量は徐々に増加する。一方Ｗ２Ｃは減少する傾向にある。ＴｉＣ量には変化がない。また、未反応のＷは認められなかった。
かさ密度は、図７に示すように１６００°Ｃから急速に大きくなり、１８００°Ｃ〜１９００°Ｃで最大値１５ｇｃｍ−３に達した。開気孔率は焼結温度の上昇と共に減少し、１８００°Ｃ以上で０ｗｔ％となった。
【００２８】
図８に示すように、ヤング率は焼結温度の上昇と共に急上昇し、１８００°Ｃでピークに達し、その後高温側に移行してもヤング率は低下する傾向を持つ。またポアソン比は焼結温度の上昇とともに緩やかに低下する。
ビッカース硬さは図９に示すように、焼結温度の上昇と共に高くなり、１８００°Ｃでピーク（２５４０Ｈｖ）となり、その後焼結温度を上げると低下する傾向を示した。この１８００°Ｃ以上での硬度低下は粒成長が原因と考えられる。
破壊靭性値もまた、ビッカース硬さと同様の傾向を持ち、図１０に示すように焼結温度の上昇と共に高くなり、１８００°Ｃでピーク（５．３ＭＰａｍ１／２）となり、その後焼結温度を上げると急速に低下する傾向を示した。
以上から、機械的性質は１８００°Ｃで焼成した試料が最も優れた特性を示していることが分かる。
【００２９】
すなわち、最適焼結温度は混合原料粉末の組成によって、適正な焼結密度、硬度、ヤング率、破壊靭性値等を勘案して、適宜選択することができる。
また、特にデータとしては示さないが、焼結温度は副添加元素としてＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素を０．００１〜２０ｗｔ％を添加することにより、３５０°Ｃ〜５５０°Ｃ程度低減できる。
さらに、副添加物としてＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素の炭化物、ホウ化物、窒化物、炭窒化物の１種類以上を０．００１〜３０ｗｔ％含有させることにより、焼結時のＷＣ、Ｗ２Ｃ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃの結晶粒の成長を抑制することができ、微細組織を持った焼結体を製造することができる。その結果、強度、硬度、破壊靭性値をさらに向上させることができる。
【００３０】
本発明の実施例では、Ｔｉ粉末とＷＣ粉末を通電加圧焼結法によって、ＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えたＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造例を示し、その特性を詳細に示した。
しかし、煩雑となるため実施例として示さないが、Ｔｉ粉末とＷＣ粉末以外の組合せにおいて、Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃから選択した１種類以上の粉末とを任意に組合せて混合し、これらを焼結することによっても同様の結果を得ることができる。
基本的には、Ｗに対するＴｉのモル比を適宜選択し、好適にはＷに対するＴｉのモル比が０．２以下、好ましくは０．１以下、さららに好ましくは０．０５以下とし、そして焼結温度を適宜制御することにより、ＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えたＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体を製造することが可能である。
【００３１】
具体的には、例えば０．９５ＷＣ−０．０５Ｔｉについて、１６００°Ｃ、１８００°Ｃ、２０００°Ｃの各温度で、２０分間、５０ＭＰａ、真空中で反応焼結を行った結果、この反応焼結体の微細焼結組織は、ＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を有していた。
ＷＣ−Ｔｉの組合せにおいて、上記以外にも０．９２５ＷＣ−０．０７５Ｔｉ（ｘ＝０．０７５）、０．９ＷＣ−０．１Ｔｉ（ｘ＝０．１）及び０．８ＷＣ−０．２Ｔｉ（ｘ＝０．２）の全ての組成において、同様に反応生成物としてＷＣ相、Ｗ２Ｃ相、ＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相が確認できた。
【００３２】
このような製造条件は、Ｃｏ金属の添加剤を主要成分として使用しないことが大きな特長となっている。そして、これはＣｏの使用による硬度、ヤング率及び耐食性が著しく損なわれるという従来技術の欠点無くすためである。
ＴｉＣの存在は、むしろ耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性を向上させるものであり、さらに焼結温度をより低温側にし、かつ焼結むらの少ない緻密な焼結体を得ることができるという効果を生み出すものである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、Ｃｏなどの金属添加剤を主要成分として使用せず、高温中での化学反応による物質の移動を利用することにより焼結むらの少ない緻密な焼結体が得られるという著しい特徴を有し、高硬度、高ヤング率特性、耐酸化性、耐摩耗性、耐溶着性等を有するＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体が得られるという効果を有する。
また、比較的低温で焼結が可能であり、高い焼結密度、微細な結晶粒、ビッカース硬さ２０ＧＰａ以上、ヤング率６００ＧＰａ以上、高い破壊靭性値を達成することができるという優れた特徴を有する。
したがって、本発明の複合体は、例えば切削工具、ターゲット材、引抜きダイス、粉末冶金用金型、ノズル、メカニカルシール、軸受部品、射出成型用金型、ボールペン用ボール、電極、自動車部品などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】Ｘ線回折最強ピークの相対強度比Ｉｘ／ΣＩｘと原料粉末中のチタンの割合ｘとの関係を示す図である。
【図２】原料粉末中のチタンの割合ｘとかさ密度及び開気孔率の関係を示す図である。
【図３】原料粉末中のチタンの割合ｘとヤング率及びポアソン比の関係を示す図である。
【図４】原料粉末中のチタンの割合ｘとビッカース硬さとの関係を示す図である。
【図５】原料粉末中のチタンの割合ｘと破壊靭性値との関係を示す図である。
【図６】焼結温度とＸ線回折最強ピークの相対強度比Ｉｘ／ΣＩｘとの関係を示す図である。
【図７】焼結温度とかさ密度及び開気孔率の関係を示す図である。
【図８】焼結温度とヤング率及びポアソン比の関係を示す図である。
【図９】焼結温度とビッカース硬さとの関係を示す図である。
【図１０】焼結温度と破壊靭性値との関係を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えていることを特徴とするＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項２】
ＷＣに対するＴｉのモル比が０．２以下であることを特徴とする請求項１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項３】
ＷＣに対するＴｉのモル比が０．１以下であることを特徴とする請求項１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項４】
ＷＣに対するＴｉのモル比が０．０５以下であることを特徴とする請求項１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項５】
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素を０．００１〜２０ｗｔ％含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項６】
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素の炭化物、ホウ化物、窒化物、炭窒化物の１種類以上を０．００１〜３０ｗｔ％含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項７】
Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃから選択した１種類以上の粉末とを混合して焼結することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【請求項８】
Ｃ粉を混合して焼結することを特徴とする請求項７記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【請求項９】
Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造に際し、ＷＣ及び又はＷ２ＣとＴｉの固相置換反応による物質移動を利用してＷＣ及び又はＷ２Ｃ粉末の焼結を促進させることを特徴とする請求項７又は８記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【請求項１０】
ホットプレス又は通電加圧焼結法により焼結することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【請求項１１】
焼結温度１４００〜２０００°Ｃ、加圧力２０ＭＰａ以上で焼結することを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【請求項１２】
焼結温度１６５０〜１９００°Ｃ、加圧力３０ＭＰａ以上で焼結することを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【請求項１】
ＷＣ相及び又はＷ２Ｃ相とＴｉＣ相及び又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ相を備えていることを特徴とするＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項２】
ＷＣに対するＴｉのモル比が０．２以下であることを特徴とする請求項１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項３】
ＷＣに対するＴｉのモル比が０．１以下であることを特徴とする請求項１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項４】
ＷＣに対するＴｉのモル比が０．０５以下であることを特徴とする請求項１記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項５】
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素を０．００１〜２０ｗｔ％含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項６】
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択した１種類以上の元素の炭化物、ホウ化物、窒化物、炭窒化物の１種類以上を０．００１〜３０ｗｔ％含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体。
【請求項７】
Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選択した１種類以上の粉末とＴｉ、ＴｉＣ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃから選択した１種類以上の粉末とを混合して焼結することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【請求項８】
Ｃ粉を混合して焼結することを特徴とする請求項７記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【請求項９】
Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造に際し、ＷＣ及び又はＷ２ＣとＴｉの固相置換反応による物質移動を利用してＷＣ及び又はＷ２Ｃ粉末の焼結を促進させることを特徴とする請求項７又は８記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【請求項１０】
ホットプレス又は通電加圧焼結法により焼結することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【請求項１１】
焼結温度１４００〜２０００°Ｃ、加圧力２０ＭＰａ以上で焼結することを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【請求項１２】
焼結温度１６５０〜１９００°Ｃ、加圧力３０ＭＰａ以上で焼結することを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のＷ−Ｔｉ−Ｃ系複合体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−２７４４３９（Ｐ２００８−２７４４３９Ａ）
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３３０９３（Ｐ２００８−１３３０９３）
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【分割の表示】特願２００３−１４０４７０（Ｐ２００３−１４０４７０）の分割
【原出願日】平成１５年５月１９日（２００３．５．１９）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【分割の表示】特願２００３−１４０４７０（Ｐ２００３−１４０４７０）の分割
【原出願日】平成１５年５月１９日（２００３．５．１９）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
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